計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)試題及答案(非計(jì)算)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)試題及答案（非計(jì)算）文檔僅作學(xué)習(xí)交流用，毋用做其他用途一、名詞釋義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，最初存在但從某個(gè)角度看似乎不存在的事物或?qū)傩缘母拍罘Q為透明度。系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的計(jì)算機(jī)。同構(gòu)多處理器系統(tǒng)：由同一類型或至少同一功能的多個(gè)處理器組成，可同時(shí)處理同一作業(yè)中并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。堆棧型機(jī)器：cpu中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。累加器型機(jī)器：cpu中存儲操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。通用寄存器類型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器機(jī)器?！鯏?shù)據(jù)相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：（1）指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；（2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)?！醴较颍河糜诮鉀Q寫后讀取沖突。在寫后-讀關(guān)聯(lián)的情況下，等待使用結(jié)果的指令不一定要在計(jì)算結(jié)果可用之前立即使用結(jié)果。如果計(jì)算結(jié)果可以直接從生成位置發(fā)送到其他指令需要的位置，則可以避免暫停。向量處理機(jī)：指令級并行：簡稱ilp。是指指令之間存在的一種并行性，利用它，計(jì)算機(jī)可以并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。指令動態(tài)調(diào)度：指在保持?jǐn)?shù)據(jù)流和異常行為的同時(shí)，通過硬件重新安排指令的執(zhí)行順序，以提高流水線的利用率，減少暫停。它是在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)由硬件實(shí)現(xiàn)的。指令的靜態(tài)調(diào)度：是指依靠編譯器對代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進(jìn)行代碼調(diào)度和優(yōu)化的。低效：CPU在訪問內(nèi)存時(shí)無法在主內(nèi)存中找到所需信息的可能性?！跏ч_銷：cpu向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)入一級存儲器所需的時(shí)間?！鯊?qiáng)制故障：當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個(gè)塊時(shí)，該塊不在緩存中，它需要從下一級內(nèi)存?zhèn)鬏斁彺?，這是強(qiáng)制故障。容量失效：如果程序在執(zhí)行時(shí)，所需要的塊不能全部調(diào)入cache中，則當(dāng)某些塊被替換后又重新被訪問，就會產(chǎn)生失效，這種失效就稱作容量失效。沖突失效：在組關(guān)聯(lián)或直接圖像緩存中，如果有太多的塊映射到同一組（塊），組中的一個(gè)塊將被其他塊替換（即使其他組或塊具有空閑位置），然后再次訪問。raid：廉價(jià)磁盤冗余陣列或獨(dú)立磁盤冗余陣列。通道：專門負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機(jī)，能執(zhí)行有限的一組輸入輸出指令。信道流：指在數(shù)據(jù)傳輸期間，信道每單位時(shí)間可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量?；ミB網(wǎng)絡(luò)：由開關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式組成的網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的互連。在拓?fù)鋵W(xué)中，互連網(wǎng)絡(luò)是一組從輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的互連或映射。分布式共享多處理機(jī)：它的共享存儲器分布在各臺處理機(jī)中，每臺處理機(jī)都-1-文檔僅作學(xué)習(xí)交流用，毋用做其他用途它有自己的本地內(nèi)存，形成一個(gè)“處理器內(nèi)存”單元。然而，分布在每個(gè)處理器中的這些實(shí)際內(nèi)存被組合并尋址在一起，從而在邏輯上形成一個(gè)共享內(nèi)存。這些處理器內(nèi)存單元通過互連網(wǎng)絡(luò)連接在一起。除了訪問本地內(nèi)存，每個(gè)處理器還可以通過互連網(wǎng)絡(luò)直接訪問其他處理器內(nèi)存單元中的“遠(yuǎn)程內(nèi)存”。機(jī)群：是一種價(jià)格低廉、易于構(gòu)建、可擴(kuò)放性極強(qiáng)的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由多臺同構(gòu)或異構(gòu)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)互連在一起，協(xié)同完成特定的并行計(jì)算任務(wù)。從用戶的角度來看，機(jī)群就是一個(gè)單一、集中的計(jì)算資源。二．填空.在單機(jī)和多機(jī)系統(tǒng)中開發(fā)并行性的技術(shù)方法包括：（時(shí)間重疊），（資源重復(fù)）和（資源共享）。.軟件兼容有（向上兼容）、（向下兼容）、（向前兼容）和（向后兼容）四種其中（向后兼容）是軟件兼容的根本特征。.列舉對計(jì)算機(jī)發(fā)展至關(guān)重要的三種實(shí)現(xiàn)技術(shù)（動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、磁盤和網(wǎng)絡(luò)）。.同構(gòu)型和異構(gòu)型多處理機(jī)所采用的提高并行性的技術(shù)分別是5.從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級可以分為字串位串、（字串位并）、（字并位串）、和全并行。.從執(zhí)行程序的角度來看，并行級別可分為：（指令級并行），（指令級并行），（任務(wù)級或過程級并行）以及作業(yè)或程序級并行。.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有（時(shí)間重疊）、（資源重復(fù)）和（資源共享）三種。在高性能單處理機(jī)的發(fā)展中，起主導(dǎo)作用的是（時(shí)間重疊原理）。.根據(jù)CPU內(nèi)部存儲單元的類型，指令集結(jié)構(gòu)可分為（堆棧型）指令集結(jié)構(gòu)、（累加器型）指令結(jié)構(gòu)和（通用寄存器型）指令集結(jié)構(gòu)。.在處理機(jī)中，若指令序列完成的順序總是與它們開始執(zhí)行的順序保持一致，則只可能出現(xiàn)（名）相關(guān),否則就有可能出現(xiàn)（名相關(guān)）、（數(shù)據(jù)相關(guān)）和（控制）相關(guān)。.管道中有三種關(guān)聯(lián)：數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、名稱關(guān)聯(lián)和控制關(guān)聯(lián)。11.有三種數(shù)據(jù)相關(guān)，即：（先讀后寫），（先讀后寫）和（先寫后寫）。12.向量的處理包括（水平處理）、（垂直處理）和（分組處理）。13.內(nèi)存層次設(shè)計(jì)技術(shù)的基本基礎(chǔ)是程序（訪問局部性原則）。14.在存儲層次結(jié)構(gòu)中，映像規(guī)則是15.在存儲層次中，常用的替換算法有（隨機(jī)法）、（先進(jìn)先出法）、（最近最少使用法）。.有一個(gè)“緩存主存”級別，4個(gè)緩存，8個(gè)主存；嘗試分析以下兩種情況，并在內(nèi)存訪問塊地址為5時(shí)計(jì)算索引。1）：組與每組中的兩個(gè)塊連接：索引為2）直接圖像：索引為.地址映像方法有（直接映像）、（組相連映像）和（全相連映像）等三中，其中（全相連）的沖突率最低。.根據(jù)故障原因的不同，緩存故障可分為（強(qiáng)制故障），（容量故障）和（沖突故障）。.2:1cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是指大小為n的（直接映像）cache的失效率約等于大小為1/2的（兩路組相連）cache的失效率?！?連通性越高，（沖突）故障越少：（強(qiáng)制）故障不受緩存容量的影響-2-本文件僅用于學(xué)習(xí)和交流，不用于其他目的響，但（容量）失效卻隨著容量的增加而減少。（強(qiáng)制性失效和容量失效不受相連度的影響）.在虛擬內(nèi)存中，通常采用（所有連接的）地址映射方法和（LRU）更新策略。22.設(shè)計(jì)I/O系統(tǒng)的單一標(biāo)準(zhǔn)（）、（）和（）?？?輸入/輸出系統(tǒng)包括（外部設(shè)備（i/o設(shè)備，輔助存儲器））和（其與主機(jī)之間的控制部分）。24.通道分為（字節(jié)多路）通道、（選擇）通道和（數(shù)組多路）通道三種類型。三．簡答題.什么是軟件兼容性？什么樣的軟件是兼容的？軟件兼容性的基本特征是什么？軟件兼容：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計(jì)算機(jī)移植到另一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。向后（前）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場的某種型號計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場的計(jì)算機(jī)。向后兼容是一定要保證的，它是系列機(jī)的根本特征。2.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中最常用的三個(gè)基本原則是什么？說出他們的意思。以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)：對經(jīng)常發(fā)生的情況進(jìn)行優(yōu)化，使分配更多的資源，達(dá)到更高的性能或者分配更多的電能。amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行事件占系統(tǒng)中總執(zhí)行事件的百分比。程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對的簇聚。3、設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮哪些因素？在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮以下三個(gè)因素：技術(shù)的發(fā)展趨勢；計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢；計(jì)算機(jī)價(jià)格的發(fā)展趨勢。4.從執(zhí)行程序的角度看，并行等級從低到高可分為哪幾級？從執(zhí)行程序的角度來看，從低到高的并行度可分為：（1）指令的內(nèi)部并行性：單個(gè)指令中微操作之間的并行性；（2）指令級并行：并行執(zhí)行兩條或多條指令；（3）線程級并行：兩個(gè)或多個(gè)線程的并行執(zhí)行，通常以一個(gè)進(jìn)程派生的多個(gè)線程作為調(diào)度單元；任務(wù)級或過程級并行：以子程序或過程為調(diào)度單元，并行執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)過程或任務(wù)（程序段）；（5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)作業(yè)或程序。.從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可分為哪幾級？從數(shù)據(jù)處理的角度來看，并行度可以從低到高分為：（1）字符串位字符串：一次只處理一個(gè)字的一位。這是最基本的串行處理模式，沒有并行性；（2）字符串位并行：一個(gè)字的所有位都在同一時(shí)間被處理。不同的單詞是連續(xù)的。平行性開始出現(xiàn)；（3）字并行位串：同時(shí)處理多個(gè)字的同一位（稱為位片）。該方法具有很高的并行性；（4）完全并行：同時(shí)處理多個(gè)字的全部或部分位。這是最高級別的并行性。.試以系列機(jī)為例，說明計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。例如，在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、尋址方式和尋址范圍屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等都屬于計(jì)算機(jī)的組成部分。-3-本文件僅用于學(xué)習(xí)和交流，不用于其他目的選擇存儲芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。.從目的、技術(shù)途徑、組成、分工和工作模式五個(gè)方面對同構(gòu)多處理機(jī)和異構(gòu)多處理機(jī)進(jìn)行比較（列表）。.指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時(shí)也描述了相應(yīng)的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)致了指令的多樣性，而且增加Ycpu對指令譯碼的難度。（2）為每個(gè)操作數(shù)設(shè)置一個(gè)地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。.指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮哪些主要問題？在進(jìn)行指令機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮如下主要問題：指令集功能設(shè)計(jì)：主要有risc和cisc兩種技術(shù)發(fā)展方向；尋址方式的設(shè)計(jì)：設(shè)置尋址方式可以通過對基準(zhǔn)程序進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)，察看各種尋址方式的使用頻度，根據(jù)適用頻度設(shè)置相應(yīng)必要的尋址方式；操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有，浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型（可以采用ieee754標(biāo)準(zhǔn)）、整型數(shù)據(jù)類型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型（壓縮十進(jìn)制和非壓縮十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示）等等。尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼與操作碼中，也可將尋址方式作為一個(gè)單獨(dú)的域來表示。指令集格式的設(shè)計(jì)：有固定長度編碼方式、可變長編碼方式和混合編碼方式三種選擇。.計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及哪些內(nèi)容？答：（1）指令集功能設(shè)計(jì)：主要有兩個(gè)技術(shù)發(fā)展方向：RISC和CISC；（2）尋址模式設(shè)計(jì)：設(shè)置尋址模式時(shí)，可以對基準(zhǔn)程序進(jìn)行測試和計(jì)數(shù)，觀察各種尋址模式的使用頻率，并根據(jù)適用的頻率設(shè)置必要的尋址模式。（3）操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的主要選擇有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型、整數(shù)數(shù)據(jù)類型、字符類型、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型等。（4）尋址模式的表示：尋址模式可以在操作碼中編碼或表示為單獨(dú)的域。（5）指令集格式設(shè)計(jì)：有三種變長編碼格式、定長編碼格式和混合編碼格式。.risc指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是什么？□回答（1）選擇最常用的說明，并補(bǔ)充一些最有用的說明；（2）每個(gè)指令的功能應(yīng)盡可能簡單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；（3）所有指令長度相同；（4）只有加載和存儲操作指令才能訪問內(nèi)存，其他指令操作在寄存器之間執(zhí)行；（5）以簡單有效的方式支持高級語言。.表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時(shí)也描述了相應(yīng)的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)致了指令的多樣性，而且增加Ycpu對指令譯碼的難度。（2）為每個(gè)操作數(shù)設(shè)置一個(gè)地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。.管道斷開的三個(gè)主要原因是什么？簡要描述三個(gè)相關(guān)的基本概念。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、名稱關(guān)聯(lián)、控制關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：指令j使用指令I(lǐng)生成的結(jié)果，口-4-本文件僅用于學(xué)習(xí)和交流，不用于其他目的或者指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，指令k又與指令i書記相關(guān)。名相關(guān)：兩條指令使用相同的名，但他們之間并沒有數(shù)據(jù)流動?？刂葡嚓P(guān)：由分支指令引起的，需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。.與之相關(guān)的數(shù)據(jù)類型是什么？解決數(shù)據(jù)相關(guān)問題的主要方法是什么？15.簡要描述超前控制的基本思想。答：先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等。采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作，而且都是由一組若干個(gè)能快速訪問的存儲單元和相關(guān)的控制邏輯組成。采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。.簡要描述定向技術(shù)的基本思想。定向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來之前，后面等待使用該結(jié)果的指令并不見得是馬上就要用該結(jié)果。如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。.試著說明Dlx管道中的數(shù)據(jù)相關(guān)性，以及定向技術(shù)無法解決的解決方案?！?有哪幾種向量處理方式？它們對向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？(1)水平處理方式：不適合對向量進(jìn)行流水處理。(2)垂直處理方式：適合對向量進(jìn)行流水處理，向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲器內(nèi)，使得流水線運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲器